CN101881974A - 用于摇摆台的弹簧平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于摇摆台的弹簧平衡装置，它包括一级弹簧平衡装置和二级弹簧平衡装置，其中一级弹簧平衡装置通过曲柄安装在摇摆台的内环传动轴上，二级弹簧平衡装置通过曲柄安装在摇摆台的外环传动轴上；所述的一级弹簧平衡装置和二级弹簧平衡装置结构相同，均包括连接杆，在连接杆上套装有弹簧筒，内弹簧和外弹簧通过活塞装于弹簧筒中，连接杆伸出弹簧筒的一端通过可调节螺母与万向球铰链连接，万向球铰链通过传动轴与曲柄连接。与现有技术相比，本发明平衡负载范围大，调整简单，工作可靠，大大减轻摇摆台的整机重量，通过调整弹簧的压缩量，可实现负载在转角范围内任意角度下弹簧力矩与重力矩相等。

Description

用于摇摆台的弹簧平衡装置

技术领域

本发明涉及摇摆台，具体涉及摇摆台上所使用的弹簧平衡装置。

背景技术

随着近代科学技术的飞速发展，特别是车载、舰载和机载雷达设备的需要，对摇摆台的体积和重量也提出了越来越高的要求，到目前为止，国内的各种平台均采用不同型号重量的配重块对负载进行平衡，同时在设计时使负载的重心尽可能靠近转轴，但是由于负载的外部构造和摇摆台的结构以及转角范围等因素，实际上负载的重心是不可能与转动部分的重心重合的，因此势必需要增加各种不同型号重量的配重块，来对负载进行平衡，但这种平衡方式有很大的局限性，尤其是当负载重量较大时，上述局限性就越明显，具体表现为：一是平衡范围窄，不同的负载需要有特定的配重块，同时平衡的调整很复杂，由于平衡块通常全部安装在内环上，不仅要考虑内环轴系的平衡，同是还要兼顾外环轴系的平衡，所以配重块在内环的分布是不均匀的，不同的负载均需在计算机上进行仿真，算出配重块的重量及质量分布，因此，采用这种平衡方式，通常负载小于50kg；二是增加了转动部分的重量，因此转动惯量，驱动装置，以及整个平台的结构和重量也随着急剧增大。据调查，对于120kg的负载，摇摆台的总重量大约在2000～3000kg不等；三是随着负载的增大，配重块的安装越发困难，由于负载的重心通常距转轴较远，为达到平衡，配重块的重量可能为负载重量的2～4倍。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有单自由度摇摆、双自由度复合摇摆下自动平衡的用于摇摆台的弹簧平衡装置。采用该弹簧平衡装置，平衡负载范围大，调整简单，工作可靠，大大减轻摇摆台的整机重量。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

用于摇摆台的弹簧平衡装置，包括一级弹簧平衡装置和二级弹簧平衡装置，其中一级弹簧平衡装置通过曲柄安装在摇摆台的内环传动轴上，二级弹簧平衡装置通过曲柄安装在摇摆台的外环传动轴上；所述的一级弹簧平衡装置和二级弹簧平衡装置结构相同，均包括连接杆，在连接杆上套装有弹簧筒，内弹簧和外弹簧通过活塞装于弹簧筒中，连接杆伸出弹簧筒的一端通过可调节螺母与万向球铰链连接，万向球铰链通过传动轴与曲柄连接。

本技术方案中，曲柄和万向球铰链用传动轴连接在一起，曲柄的另一端与摇摆台的内环轴系或外环轴系相连，万向球铰链、连接杆用可调节螺母相连，可调节螺母可微调弹簧的预压缩距离，内、外弹簧用活塞装于弹簧筒中，当摇摆台上安装负载时，通过活塞调节内、外弹簧的预压缩量，首先调节一级弹簧平衡装置中的内、外弹簧，使负载在内环轴系达到平衡，然后调节二级弹簧平衡装置中的内、外弹簧，使负载在外环轴系达到平衡，从而使负载在单自由度摇摆、双自由度复合摇摆时的任一位置，弹簧力矩与重力矩相等，则完成了对负载的平衡。

还可在弹簧筒上远离可调节螺母的一端安装端盖。

考虑负载在运动过程中，弹簧平衡装置会挠支撑轴进行摆动，因此，根据摇摆台的空间结构，可在一级弹簧平衡装置弹簧筒的两端固接支撑轴，在摇摆台的内环框架上安装第一支座，该第一支座上与支撑轴的相应位置处开设有轴孔，所述的支撑轴套于上述轴孔中。同理，在二级弹簧平衡装置弹簧筒的两端固接支撑轴，在摇摆台的外环支架上安装第二支座，该第二支座上与支撑轴的相应位置处开设有轴孔，所述的支撑轴套于上述轴孔中。

具体的说，在一长1075mm，宽1080mm，高970mm的摇摆台上，所述一级或二级弹簧平衡装置的长为650～750mm，宽为100～140mm，深为200～350mm。其中，所述一级弹簧平衡装置的中心线与水平线的夹角为36°，弹簧平衡转角范围为±25°。所述二级弹簧平衡装置的中心线与水平线的夹角为46°，弹簧平衡转角范围为±23°。其中弹簧平衡转角范围应大于摇摆台转角范围。

与现有技术相比，本发明摇摆台弹簧平衡装置，采用组合弹簧平衡装置，平衡负载范围大，调整简单，工作可靠，大大减轻摇摆台的整机重量，通过调整弹簧的压缩量，可实现负载在摇摆转角范围内任意角度下，弹簧力矩与重力矩相等，即达到完全平衡；由于没有增加转动部分的重量，则所需的最大驱动力矩也将大大减小，这样不仅使摇摆台结构尺寸减小，而且也大大降低了制造成本；本发明弹簧平衡装置还可适用于多种运动载体。

附图说明

图1为本发明弹簧平衡装置的一种实施方式安装在摇摆台上的结构示意图；

图2为图1中二级平衡装置的结构(去掉弹簧筒)及其与摇摆台外环传动轴的连接示意图；

图3为图1中一级平衡装置的结构及其与摇摆台内环传动轴的连接示意图；

图4为图1中一级平衡装置的平衡设计简图；

图5为图1中二级平衡装置的平衡设计简图。

图中标号为：

1一级弹簧平衡装置；2二级弹簧平衡装置；3摇摆台；4外环支架；5第二支座；6支撑轴；7曲柄；8摇摆台的外环传动轴；9端盖；10连接杆；11弹簧筒；12可调节螺母；13传动轴；14万向球铰链；15内弹簧；16外弹簧；17摇摆台的内环传动轴；18内环框架；19第一支座。

具体实施方式

参见图1至图3，本发明用于摇摆台的弹簧平衡装置，包括一级弹簧平衡装置1和二级弹簧平衡装置2，所述的一级弹簧平衡装置1通过曲柄7安装在摇摆台3的内环传动轴17上，二级弹簧平衡装置2通过曲柄7安装在摇摆台3的外环传动轴8上。其中的二级弹簧平衡装置2包括连接杆10，在连接杆10上套装有弹簧筒11，内弹簧15和外弹簧16通过活塞装于弹簧筒11中(其中外弹簧16为右旋，内弹簧15为左旋)连接杆10的一端伸出弹簧筒11通过可调节螺母12与万向球铰链14连接，万向球铰链14通过传动轴13与曲柄7连接，所述弹簧筒11上远离可调节螺母12的一端安装有端盖9。一级弹簧平衡装置1和二级弹簧平衡装置2的结构相同，在此不再详述。

在二级弹簧平衡装置2弹簧筒11的两端固接支撑轴6，在摇摆台3外环支架4上安装第二支座5，该第二支座5上与支撑轴6的相应位置处开设有轴孔，所述的支撑轴6套于上述轴孔中。同理，在一级弹簧平衡装置1弹簧筒11的两端固接支撑轴6，在摇摆台3内环框架18上安装第一支座19，该第一支座19上与支撑轴6的相应位置处开设有轴孔，所述的支撑轴6套于上述轴孔中。

具体以一长1075mm，宽1080mm，高970mm的摇摆台3为例，在其上安装的一级弹簧平衡装置1或二级弹簧平衡装置2的长为650～750mm，宽为100～140mm，深为200～350mm。其中，所述一级弹簧平衡装置1的中心线与水平线的夹角为36°，弹簧平衡转角范围为±25°。所述二级弹簧平衡装置2的中心线与水平线的夹角为46°，弹簧平衡转角范围为±23°。

具体的弹簧平衡装置的设计如下：

1、一级弹簧平衡装置的设计

一级弹簧平衡装置的平衡简图如图4所示。设负载W＝125kg，负载重心距离内环轴心为540mm。

内环转角范围为±20°，弹簧平衡转角范围为±25°，当负载仰角为0°时，负载的重心偏离内环轴的角度θ＝0°。

弹簧平衡装置的空间尺寸选定如下：

OA＝160mm，OB＝341mm，当负载仰角为0°时，重心在内环轴心上，O、A、B三点共线，并根据结构的空间尺寸选定OB与X轴夹角为36°。

确定弹簧的预压缩量为：S o＝AB＝OB-OA＝181mm

当负载转到25°时，弹簧的最大压缩量为Smax＝A₁B，根据余弦定律，

根据力矩平衡原理，确定弹簧刚度k为

$k=\frac{\mathrm{OD}\·W}{\mathrm{OA}\·\mathrm{OB}}=\frac{540\×125}{160\×341}=1.24\mathrm{kg}/\mathrm{mm}$

则弹簧的最大工作载荷为：Pmax＝k·Smax＝1.24×208＝258kg。

由于弹簧刚度大，为了减小平衡器的空间尺寸，采用双层组合弹簧，为保证组合弹簧的同心关系，防止内、外弹簧产生歪斜现象，两个弹簧的旋向相反，外弹簧采用右旋，内弹簧采用左旋，弹簧刚度为k＝k1+k2。

设计外弹簧(右旋)的刚度k1＝0.65kg/mm，内弹簧(左旋)的刚度k2＝0.85kg/mm，则一级弹簧平衡装置的总刚度k为：k＝k1+k2＝0.65+0.85＝1.5kg/mm。

2、二级弹簧平衡装置的设计

二级弹簧平衡装置的平衡简图如图5所示。设计负载W＝330kg，负载重心距离外环轴心为200mm。

外环转角范围为±18°，弹簧平衡转角范围为±23°，当负载仰角为0°时，负载的重心偏离外环轴的角度θ＝0°。

弹簧平衡器装置的空间尺寸选定如下：

OA＝150mm，OB＝320mm，当负载仰角为0°时，重心在外环轴心，O、A、B三点共线，并根据结构的空间尺寸选定OB与Z轴夹角为46°。

确定弹簧的预压缩量为：S o＝AB＝OB-OA＝170mm

当负载转到23°时，弹簧的最大压缩量为Smax＝A₁B，根据余弦定律，

弹簧刚度k为

$k=\frac{\mathrm{OD}\·W}{\mathrm{OA}\·\mathrm{OB}}=\frac{200\×330}{150\×320}=1.38\mathrm{kg}/\mathrm{mm}$

弹簧的最大工作载荷为：

Pmax＝K·Smax＝1.38×191＝264kg。

弹簧采用双层组合弹簧，外弹簧采用右旋，内弹簧采用左旋，设计外弹簧(右旋)的刚度k1＝1.02kg/mm，内弹簧(左旋)的刚度k2＝0.53kg/mm，二级弹簧平衡装置的总刚度k为：k＝k1+k2＝1.02+0.53＝1.55kg/mm。

Claims (6)

1.用于摇摆台的弹簧平衡装置，其特征在于：包括一级弹簧平衡装置(1)和二级弹簧平衡装置(2)，其中一级弹簧平衡装置(1)通过曲柄(7)安装在摇摆台(3)的内环传动轴(17)上，二级弹簧平衡装置(2)通过曲柄(7)安装在摇摆台(3)的外环传动轴(8)上；所述的一级弹簧平衡装置(1)和二级弹簧平衡装置(2)结构相同，均包括连接杆(10)，在连接杆(10)上套装有弹簧筒(11)，内弹簧(15)和外弹簧(16)通过活塞装于弹簧筒(11)中，连接杆(10)伸出弹簧筒(11)的一端通过可调节螺母(12)与万向球铰链(14)连接，万向球铰链(14)通过传动轴(13)与曲柄(7)连接。

2.根据权利要求1所述的用于摇摆台的弹簧平衡装置，其特征在于：一级弹簧平衡装置(1)的弹簧筒(11)的两端固接有支撑轴(6)，两支撑轴(6)的另一端套于安装在摇摆台(3)的内环框架(18)上的第一支座(19)上的轴孔中。

3.根据权利要求2所述的用于摇摆台的弹簧平衡装置，其特征在于：二级弹簧平衡装置(2)的弹簧筒(11)的两端固接有支撑轴(6)，两支撑轴(6)的另一端套于安装在摇摆台(3)的外环支架(4)上的第二支座(5)上的轴孔中。

4.根据权利要求3所述的用于摇摆台的弹簧平衡装置，其特征在于：在长1075mm，宽1080mm，高970mm的摇摆台(3)上，所述一级弹簧平衡装置(1)或二级弹簧平衡装置(2)的长为650～750mm，宽为100～140mm，深为200～350mm。

5.根据权利要求4所述的用于摇摆台的弹簧平衡装置，其特征在于：所述一级弹簧平衡装置(1)的中心线与水平线的夹角为36°，弹簧平衡转角范围为±25°。

6.根据权利要求5所述的用于摇摆台的弹簧平衡装置，其特征在于：所述二级弹簧平衡装置(2)的中心线与水平线的夹角为46°，弹簧平衡转角范围为±23°。

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